永动机和熵

戴榕菁

在贴出“永动机果然只是哲学问题而非科学问题。。。”一文后，有读者问了一个奇怪的问题：这篇写永动机的文章怎么没有提到熵？

我回答问：能看得出文中下面这段话与熵之间的关系吗：【但是，如果较小的风速能产生较大的转速的话，鉴于叶片1与叶片2的物理结构完全一样，这意味着当绝对风速V下降时，山顶上的叶片2的转速不会下降反而会增大，这不但违背了热力学第二定律，也违背了热力学第一定律。】

其实，这个问题表明问问题的人既不了解永动机的意义及人们对永动机的看法，也缺乏对于熵的知识。

首先，对于永动机的意义缺乏认识不能怪他，因为主流科学界目前对于永动机的意义的认识本身就一片混乱。但是，对于人们现有的对永动机的看法缺乏了解则属于他（一位研究科学史的人）自己不够用功了。在现有的对于永动机的三种基本分类中没有一种是直接提到熵的，只不过你可以通过那三种分类与热力学的关系来间接地用熵的概念来描述永动机而已。因此，一篇谈论永动机的文章，哪怕是完全按照现有的分类法也很有可能根本不会提到熵这个字。所以，他的那个问题显得在卖弄自己所知道的名词之际忘了做足功课。

至于说永动机的根本意义，那就是它的字面意思：永远动的机器。当人们开始谈论永动机的时候，还不知道宇宙本身也有寿命，所以那时的永动的概念是完全抽象的永远运动。

但是人们谈论的永动机都是在地球的环境中，而在地球的环境中由于重力和大气以及摩擦力的作用，任何一部人造的机器都无法在没有外界的作用下永远运动，这时就有科学人发现这里的要素是需要外界的能量，而且是有用的能量，所以就将人们曾经设想过的没有考虑能量以及有用能量的可以永远运动的机器列为三种不可能实现的永动机。就这样，原本只是永远运动的机器的概念便于热力学定律牢牢地绑定在了一起，并由此可以间接地与熵的概念联系上。

现在回到我上面提到的文中的那段话与熵的关系这一点来。

对于熵这个概念有着很多的物理解释甚至信息学，社会学，经济学的解释。在这些解释中有一个基本的物理学解释是熵为自然界中无法做有用功的能量，也称为无用能。相应地，当一个系统做有用功时，有一部分有用能量会转为无用能量，这就是熵增的过程，这也是对热力学第二定律的一种诠释。假如一个风场中的叶片随着风速下降而转速加快，那么当风速为零的时候它的转速将达到最大。这意味着这个叶片可以从静止的空气中无中生有地提取能量，这意味着这个叶片可以自动地将无用能转为有用能，也就是自动地降低大气中的熵，也就是自动地降低宇宙中的总熵，这就不但违背了热力学第一定律也违背了热力学第二定律。